Dans la modélisation des structures par la méthode des éléments finis classique, les propriétés physiques et matérielles ainsi que les conditions aux limites sont considérées généralement déterministes au sens statistique. De ce constat, il est permis de s'interroger sur la validité de ia solution issue d'une telle modélisation. Les interrogations se multiplient lorsqu'on admet que les lois physiques qui régissent le comportement de la matière évoluent de manière aléatoire. Pour apporter des éléments de réponses à ces interrogations, nous avons étudié dans le cadre de ce projet par des méthodes probabilistes et stochastiques un certain nombre d'applications académiques et industrielles mettant en évidence l'effet des variations aléatoires des paramètres constituant ces lois sur îa solution. Dans le cadre de ces méthodes, l'échantillonnage et la discrétisation constitue des étapes primordiales qui contribuent à la construction, respectivement, du spectre de la solution et du système matriciel Ce dernier, une fois conditionné, permet de construire îa réponse éléments finis après résolution. Si on associe la probabilité et l'aléa à certains paramètres qui constituent ce système, alors la discrétisation de type éléments finis seule devient insuffisante pour produire le nouveau système matriciel qui, a priori, admet un caractère aléatoire ou stochastique absent du système d'équations. La méthode de Monte Carlo offre l'avantage de pallier aux difficultés rencontrées tors du processus de discrétisation. Les travaux de cette thèse se basent principalement sur l'exploitation des avantages de cette méthode voire son efficacité et la simplicité de sa mise en oeuvre. Deux exemples de contact de Hertz ainsi que des problèmes de contact multiphysiques académiques et industriels feront l'objet d'une analyse fiabiliste par cette méthode.

Dans le cadre de ce mémoire de maîtrise, une méthode de détermination de la résistance à la traction de la glace atmosphérique a été développée. Dans cette méthode, la glace est formée à partir de gouttelettes d'eau surfondues qui viennent frapper un cylindre en aluminium et en laiton qui tourne à un tour par minute dans la section d'essai d'une soufflerie placée à l'intérieur d'une chambre froide. Les gouttelettes d'eau surfondues sont produites par un gicleur alimenté en air et en eau, dont les pressions d'alimentation sont ajustées par des servo-vannes contrôlées par un micro-ordinateur. Les programmes développés pour contrôler ces pressions d'alimentation permettent aux gouttelettes d'eau d'atteindre l'état d'équilibre cinétique et thermodynamique avec l'écoulement d'air. Des essais de traction utilisant des jauges de déformation ont démontré que le montage développé précédemment lors des recherches du Groupe de Recherche en Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique (G.R.I.E.A.) de l'Université du Québec à Chicoutimi (U.Q.A.C.), engendrait des problèmes qui peuvent influencer les résultats. Le nouveau montage développé a permis d'éliminer l'effet d'adhésion au centre des échantillons de glace. Il a aussi permis d'appliquer une charge plus uniformément répartie sur la section de glace, donc un taux de déformation plus uniforme. C'est à une température de -14°C et pour une vitesse du vent de 23 m/s, avec un diamètre de gouttelettes d=40 Um et une teneur en eau de 1,2 g/m3, qu'il y a eu le plus d'essais de traction réalisés. Ces conditions de formation, qui d'après les études précédentes réalisées à l'U.Q.A.C. correspondent à la résistance maximum de la glace atmosphérique, ont permis d'étudier l'influence du taux de déformation sur la résistance en traction de la glace atmosphérique. Une résistance maximum de 5 MPa avait été mesurée avec l'ancien montage, comparativement à une résistance maximum de 2,48 MPa avec le nouveau montage, pour un taux de déformation interpolé égal à 2 x 10-6 s-1. L'étude montre de plus que le nouveau montage donne des résultats plus constants. Les modèles empiriques développés à partir des résultats ont montré que la résistance à la traction de la glace atmosphérique augmente avec le taux de déformation dans le domaine ductile, i.e. pour les taux de déformation inférieurs à environ 2 x 10-6 s-1 et qu'elle diminue pour les taux de déformation supérieurs correspondants au domaine fragile, ce qui est conforme à ce qui avait déjà été démontré dans les études antérieures et dans le cas de la glace de lac et de rivière.

L'accumulation de neige et de givre sur les surfaces critiques des avions au sol ou en attente de décollage telles que les ailes, les gouvernes et les bords d'attaque altère leur surface, conduisant à des pertes de performances aérodynamiques lors du décollage qui, dans certains cas, se sont avérées néfastes. Pour éviter ce type d'accidents lors du décollage, des méthodes de dégivrage et de protection antigivre ont été développées. Les fluides antigivre et dégivrants appliqués sur les surfaces critiques des avions en attente de décollage sont parmi les méthodes les plus utilisées pour prévenir la formation de la neige ou encore pour la faire fondre. Les fluides qui sont à base de glycol sont caractérisés par leur temps de protection, communément appelé temps d'endurance, qui est mesuré à partir d'une évaluation effectuée en chambre climatique selon la norme ARP5485. Le temps d'endurance est déterminé en exposant une plaque, recouverte d'un fluide antigivre, à des précipitations de neige artificielle sous 0 °C. Le but de ce mémoire est de comprendre le comportement du fluide antigivre durant l'essai d'endurance à la neige, de déterminer les paramètres influençant l'échec du fluide, et d'élaborer un mécanisme expliquant l'échec du fluide. Le montage expérimental défini dans la norme a été modifié afin de simplifier les phénomènes enjeu. Le montage expérimental utilisé durant les essais qui ont été effectués dans la chambre climatique de 9 m du LIMA consiste à une plaque plane en aluminium de 50 cm de longueur par 30 cm de largeur et d'une boîte à neige en aluminium munie d'un cylindre en acétal avec des trous demi-sphériques permettant à la neige de tomber sous forme de groupes selon deux intensités de 10 et 25 g/dm2/h. La plaque est parallèle au sol et entourée de parois isolées permettant aux précipitations de neige de s'accumuler et d'empêcher l'écoulement du fluide. Un élément chauffant situé sous la plaque permet de maintenir sa température à la valeur déterminée par la norme et deux thermocouples positionnés à l'interface plaque/élément chauffant permettent de mesurer et contrôler sa température. Un autre thermocouple est ajouté afin de mesurer la température du fluide durant l'essai. La chambre climatique est contrôlée par un automate afin de maintenir sa température au niveau désiré qui est de -5 °C, -10 °C, -14 °C, -25 °C. Le montage est relié à un automate qui maintient la température de la plaque à la valeur désirée en gérant l'énergie fournie à la plaque. L'automate et le montage sont reliés à un ordinateur, dans lequel un programme informatique permet l'enregistrement des températures de l'air, de la plaque et du fluide, de l'intensité des précipitations et de la masse de neige précipitée durant l'essai ainsi que de la puissance consommée. Les essais ont été effectués avec un fluide générique à base de propylène glycol; durant chaque essai, une quantité de 400 ml de fluide est versée sur la plaque, ce qui forme une couche d'épaisseur de 2,7 mm. Les résultats ont montré que la température de l'air demeure constante avec de petites fluctuations régulières tout au long de l'essai pour toutes les conditions. Pour les essais effectués à une température supérieure à -25 °C, la température de la plaque débute à peu près à la valeur désirée et décroît rapidement à une valeur minimale. La diminution de température est compensée par une augmentation de puissance pour la ramener à la valeur désirée; par la suite, la puissance décroît vers une valeur nulle. Pour les essais réalisés à une température de -25 °C, la température de la plaque reste presque constante et aucune puissance n'est impliquée. La masse de neige qui induit l'échec ainsi que la puissance moyenne fournie à la plaque et le temps d'endurance du fluide diminuent exponentiellement avec la baisse de la température. La masse de neige est indépendante de la grosseur des trous et peu dépendante de l'intensité. Par contre, la puissance moyenne et le temps d'endurance sont indépendants de la grosseur des trous, mais ils sont dépendants de l'intensité de précipitation. Les observations visuelles effectuées durant les essais ont montré que seulement une fraction de la neige fond et se diffuse dans le fluide, l'autre fraction s'accumule dans le fluide. Les cristaux de glace qui s'accumulent dans le fluide forment aussi une 'slush' épaisse et uniforme à l'échec. En raison de la neige qui s'accumule dans le fluide, de nombreux sites de diffusion sont présents à l'intérieur de celui-ci, permettant de conclure que la diffusion de l'eau est homogène et s'effectue presque instantanément dans le fluide. L'absorption de l'eau et de la neige décroît la concentration en propylène glycol du fluide et cette concentration diminue avec l'augmentation de la température. Par contre, le fluide n'est en mesure d'absorber qu'une certaine quantité d'eau, car l'énergie consommée n'est qu'une fraction de l'énergie disponible et que cette quantité dépend de la température de l'air. Cette diminution de concentration accroît la température de solidification du fluide. Lorsque la température de solidification est calculée à partir de la concentration d'eau liquide et solide excluant le 30 % de neige accumulée à l'échec, celle-ci est égale à la température de l'air. Les résultats issus de ce travail ont permis d'élucider certains aspects liés aux essais d'endurance de neige. L'échec débute lorsque la température de solidification du fluide est égale à la température de l'air. À ce moment, le fluide n'est plus en mesure d'absorber de l'eau, la neige ne fond plus, mais s'accumule dans le fluide pour former une 'slush' qui s'épaissit avec le temps. Lorsque le fluide est saturé d'eau et de particules solides, la neige s'accumule sur la surface. Lorsque la surface est recouverte de 30 % de neige, l'échec est déclaré. Cependant, d'autres travaux sont requis afin de produire un modèle numérique pour prédire l'échec : (1) Réaliser les mêmes essais avec les fluides utiliser en industrie et comparer les résultats avec ceux du fluide générique. (2) réaliser des essais avec une plaque plane inclinée à 10°. Vérifier si les mêmes paramètres sont impliqués et vérifier l'effet de la viscosité du fluide.

Les consommations de carburants fossiles, dans le domaine des transports, ne cessent d'accroître. Dans le but de diminuer ces consommations, plusieurs équipes travaillent à obtenir des alliages plus légers, ou encore des geometries plus aérohydrodynamiques. Toutefois, ces modifications atteignant un apogée, l'utilisation d'un revêtement de surface superhydrophobe offrant une mouillabilité faible, pourrait être la solution. En effet, une surface de contact réduite entre l'eau et le solide en addition à une affinité chimique réduite avec l'eau pourrait diminuer la friction en surface. Plusieurs techniques permettent d'obtenir des surfaces possédant ces caractéristiques. L'objectif de ce mémoire est de synthétiser des revêtements de surfaces superhydrophobes durables, facilement applicables à grande échelle, et de caractériser leurs effets sur la vitesse terminale de sphères en chute libre dans l'eau. Les nanoparticules d'oxyde ont des applications remarquables dans des domaines techniques émergents et variés pour obtenir des surfaces autonettoyantes ou pour obtenir des surfaces anticorrosion. Dans la présente étude, la modification et la fonctionnalisation de particules hydrophiles de silice (SiÛ2) et d'oxyde de zinc (ZnO) ont été menées pour obtenir la superhydrophobicité. Une dispersion de nanoparticules de silice a été obtenue par le procédé Stôber en utilisant du tétraéthoxysilane (TEOS : Si(OC2H5)4) et l'hydroxyde d'ammoniac, en tant que catalyseur basique, dans de Téthanol. De plus la surface des particules de silice a été modifiée en utilisant des molécules de fluoroalkylsilane (FAS-17 : CioH^FnCbSi) afin d'obtenir des nanoparticules de silice fluorées. D'autre part la modification de la surface de l'oxyde de zinc a été réalisée en utilisant des molécules d'acide stéarique (S.A. : CHs(CH2)i6COOH) dans le but d'obtenir des nanoparticules de ZnO methylées. Ces nanoparticules ont été caractérisées sous forme de poudre ainsi que sous forme de films minces tels quels ou dans différentes matrices pour confirmer et optimiser leurs dépositions pour atteindre la superhydrophobicité. Les liaisons moléculaires entre les particules (SiÛ2 et ZnO) et leurs molécules de basse énergie (FAS-17 et SA) ont été démontrées par spectroscopie infrarouge à transformées de Fourrier (FTIR) et par diffraction des rayons X (XRD). Les surfaces rugueuses nano structurées ont montré des propriétés superhydrophobes, grâce, entre autres, à l'arrangement topographique, mais aussi grâce à la basse énergie de surface. Enfin, il a été montré que lors d'essais de chute dans l'eau, le revêtement superhydrophobes nanocomposite à base d'oxyde de zinc méthylée augmente les vitesses terminales de 5 à 11 % par rapport à une bille non-recouvertes, indiquant une diminution significative de la friction de surface. De plus, ces nanoparticules fonctionnalisées peuvent être facilement incorporées à des peintures pour des dépositions à grande échelle sur des surfaces variées, métaux et non-métaux, pour des applications visant à réduire la consommation d'énergie.

Ce projet s'inscrit dans des études à approfondir la connaissance du givrage afin d'adapter les éoliennes pour opérer dans les conditions nordiques. L'objectif principal est de développer des techniques pour évaluer, à long terme, l'impact du givrage sur le fonctionnement d'un projet éolien et d'optimiser des techniques de dégivrage. Plusieurs études complexes doivent être effectuées avant de proposer un modèle précis capable de réaliser une simulation tridimensionnelle du givrage sur des pales des éoliennes en rotation. Pour atteindre les objectifs, nous avons utilisé des logiciels commerciaux de CFD et l'interface conviviale de MS-Excel pour valider un cas test des simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre. Ces méthodes sont destinées à être appliquées à la simulation en 3D de l'accumulation de glace sur les éoliennes, étant donné que l'étude du givrage du cylindre, pour lequel des résultats analytiques et expérimentaux nombreux sont disponibles pour validation, est fondamentale et pré-requis pour ce domaine de recherche. La capacité d'un objet à capturer des gouttelettes d'eau dans un écoulement est appelé l'efficacité de collection. Une évaluation de l'efficacité de collection sur un cylindre a été simulée en utilisant une approche Eulérienne basée sur les modèles de turbulence multiphasiques dans ANSYS-CFX. Les résultats ont été validés avec des résultats des approches Lagrangiennes et Eulériennes dans FLUENT ainsi qu'avec des résultats expérimentaux obtenus à partir d'études antérieurs. Les résultats ont démontré l'efficacité des modèles multiphasiques du logiciel CFX à simuler les fractions volumiques d'eau et à définir la zone de collection et les limites d'impact autour du cylindre. Pareillement, un logiciel pour calculer les trajectoires des gouttelettes d'eau dans un écoulement d'air interceptées par un cylindre a été réalisé sous Excel avec un code VBA (Visual Basic for Applications). Cette interface permet de démontrer les différents scénarios pouvant aider à valider les simulations avec CFX. Les deux simulations réalisées avec Excel et CFX ont démontré une cohérence entre le comportement des lignes de courant, des trajectoires et des forces agissant sur les gouttelettes. - This project has been conducted in the context of intensifying the knowledge of icing on wind turbines to be adapted in Nordic conditions. The main objective is to develop techniques to evaluate the long-term impact of icing on the performance of wind turbine projects and to optimize the de-icing techniques. Several upstream complex studies are to be conducted prior to propose a precise model capable of achieving a three-dimensional simulation of icing on wind turbine rotating blades. In order to overcome these difficulties, we made use of the high capacity of commercial CFD software, together with the friendly user interface of MS-Excel. The validation of these tools for the ice accretion past a cylinder is the prerequisite for applying these tools for the 3D simulation of icing over wind turbines, given that the study of cylinder icing is fundamental in several areas of icing research. The ability of an object to capture water droplets presented in an air flow is called collection efficiency. Evaluation of the collection efficiency over a cylinder has been simulated using Eulerian approach based on multi-phase turbulence models in CFX. The results have been validated with those of Lagrangian and Eulerian approaches in FLUENT as well as with experimental results obtained from previous studies. The results showed that the use of ANSYS-CFX multi-phase models was effective in simulating water volume fractions through the domain and in defining the collection zone and the impingement limits around the cylinder. In addition, a code to calculate the trajectories of supercooled water droplets in the air intercepted by a cylinder has been achieved using MS-Excel sheets supported with VBA (Visual Basic for Applications). This interface has been used to demonstrate different scenarios that can help to validate similar simulations using CFX. In both Excel and CFX simulations, the streamlines and trajectories have demonstrated similar behaviour which is consistent with the forces acting on water droplets.

Ce travail de thèse a pour but de développer de nouveaux matériaux bio-composites pour des applications en thermoformage. À cet effet, nous considérons une matrice de polyéthylène haute densité (HDPE) renforcée par les sciures de bois. Nous avons utilisé six concentrations de particules de bois (0%, 20%, 30%, 40%, 50% et 60%) en présence d’un agent de couplage le polyéthylène greffé au maléique anhydride (PE-g-MA). L’effet de la concentration en bois et celui de la température sur les propriétés rhéologiques de même que les propriétés thermo-physiques, et les caractéristiques structurales des thermo-composites ont été étudiés grâce à une analyse mécanique dynamique (DMA), une analyse calorimétrique différentielle (DSC) et une analyse microscopique électronique à balayage (MEB). Le comportement visqueux des composites à l’état liquide a été modélisé à l’aide du modèle rhéologique Cross. Cela nous a permis de créer des courbes universelles pour prédire le comportement visqueux des bio-composites sur une gamme de températures et de fréquences. Quant au comportement mécanique des composites à l’état semi-solide, il a été modélisé à l’aide du modèle intégral viscoélastique de Lodge. Pour cela, des résultats expérimentaux, obtenus à l’aide des tests d’analyses oscillatoires à faible amplitude, sont utilisés. Nos résultats indiquent que les modules dynamiques rhéologiques (G’ et G’’) des composites diminuent en fonction de la température et croissent en fonction de la concentration en particules du bois. De plus, les propriétés thermo-physiques (capacité calorifique Cp et volume spécifique) sont dépendantes de la température et de la teneur en particules du bois; leur variation est maximale à la température de fusion du polymère, en raison de changement de phase des chaînes macromoléculaires. Afin de déceler l’effet de la concentration massique des particules du bois sur l’aptitude du composite plastique- bois pour des applications en plasturgie, une étude numérique sur la thermo-formabilité de ces nouveaux bio-composites a été réalisée en soufflage libre des membranes bio-composites. Par ailleurs, une évaluation expérimentale sur les propriétés mécaniques ainsi que sur la durabilité des performances des composites plastiques-bois ont été réalisées. À cet effet, des tests de traction, de stabilité géométrique et de biodégradabilité sont effectués. Nos résultats indiquent que l’addition des particules du bois améliore à la fois la rigidité et la résistance mécanique des composites. Toutefois, l’élongation à la rupture des composites diminue considérablement en fonction de la teneur en particules de bois; les composites deviennent peu ductiles et la rupture apparaît à de faibles déformations. De plus, la présence des particules du bois rend les composites sensibles à l’absorption d’eau et aux attaques des espèces fongiques; ceci se traduit par une perte de masse et une altération des propriétés structurales des bio-composites exposées régulièrement aux champignons dans un milieu humide. L’effet des microorganismes est estimé maximal dans le cas des échantillons préparés sans agent de couplage et contenant des teneurs élevées en bois.

Canada is the world's largest producer of flax. However, most of the flax fibers are used either for food production or to weave into clothing and blankets. So, by developing rein-forcements of flax fibers to be used in polymeric composites, there is an opportunity to not only produce value-added products, but also be more environmentally friendly. Flax fibers are characterized by a higher specific stiffness (stiffness divided by density) than glass fibers and therefore can be considered as a potential replacement of glass fiber in composite parts. In order to develop flax fiber composites that can be used in load-bearing structures unidi-rectional reinforcement of flax fibers must be developed. This thesis aims at developing a new unidirectional flax/paper reinforcement with inter-esting properties in terms of permeability, tensile mechanical properties and bonding strength between paper and flax fibers in the dry reinforcement. To study and model the important reinforcement parameters on the concerned properties, the classical robust parameter design approach is considered. Moreover, high quality fabrication and characterization methods are developed to yield consistent results. Feasibility of mass scale production of the hybrid uni-directional flax/paper reinforcement on the pilot paper machine of Innofibre is also studied. To study the reinforcement on a laboratory scale two material parameters, including sur-face density of the paper sheet and the surface density of the flax layer, as well as two fabri-cation parameters, including forming pressure and drying temperature, are considered. Ef-fects of these parameters are studied on three properties of the material, comprising the co-hesion between the two reinforcement layers (flax and paper), reinforcement permeability and mechanical properties of the final eco-composite. For the modeling aspect, the design of experiment followed by statistical modeling are used. In addition, effects of different rein-forcement architectures as well as the fiber volume fraction are studied through comparative studies. Effect of temperature on improving the flax- paper cohesion and decreasing its standard deviation in the dry reinforcement was identified. Mean and standard deviation of the per-meability along the yarns’ direction (K1) is mainly influenced by surface density of the flax layer. So, this parameter must be adjusted to its maximum value to reduce the standard deviation. It has been shown that the temperature has a statistically significant effect on the rein-forcement surface density as well as strength of the eco-composite. Although temperature effect on mean values of surface density and strength could be marginal from an engineering point of view, it is concluded that it should be adequately controlled during manufacturing process of the reinforcement to minimize variance of mechanical properties results. Through comparative studies, it was shown that the paper layer reduces the standard deviation of the K1 permeability and tensile properties of eco-composite. These results show that the flax/pa-per reinforcement has a robust architecture compared to sole layer of unidirectional flax. Specific stiffness of the final eco-composite is found to be higher than that of a UD glass fiber composite, at the same fiber volume fraction. This very important finding paves the way for industrial applications of the studied reinforcement. This material could be potentially used in the automotive industry, aerospace, sports as well as the building sector. The flax yarns are fed into the pilot paper machine of Innofibre and then at the exit of the machine, the paper sheet reinforced by unidirectional flax yarns was rolled up successfully. This result, proves that the mass scale fabrication of reinforcement is feasible and therefore paves the way for attracting industrial interest and also reducing its production costs. Les travaux de cette thèse visent à développer et caractériser un renfort unidirectionnel (UD) lin/papier contenant une couche UD de fils de lin alignés dont la cohésion est assurée par une couche de papier de fibres courtes de Kraft (fibres de bois). Les performances de ce nouveau renfort comprennent sa perméabilité à l'écoulement de résine liquide, le comporte-ment en traction du composite qui en résulte une fois imprégné, ainsi que sa résistance au cisaillement (cohésion à sec entre les fibres de lin et de papier). La résistance au cisaillement du renfort est un indice de qualité assurant que les fils restent autant que possible intacts (alignés) lors de la manipulation du renfort et autant que possible pendant l'injection de la résine. La perméabilité et la performance à la traction du composite (particulièrement sa rigidité spécifique) constituent pour leur part les bases permettant d'évaluer si des pièces composites fabriquées à partir de ce renfort peuvent concurrencer les composites à fibres de verre. Les paramètres étudiés du renfort comprennent la densité surfacique (ou grammage) des couches de lin et de papier, la pression de formation de renfort, ainsi que sa température de séchage. De plus les effets des différents taux de fibres et des différentes configurations (architectures) du renfort sont aussi étudiés. La possibilité de produire le renfort hybride UD lin/papier à grande échelle (machine d'Innofibre du Cégep de Trois-Rivières) est finalement évaluée. Selon la définition théorique de la conception robuste, un produit ou un procédé est ro-buste s’il est peu sensible aux effets des sources de variabilité rencontrées dans son cycle de vie, même si les sources elles-mêmes n’ont pas été éliminées. Considérant que les propriétés des fibres naturelles ont une variabilité inhérente, un objectif important de cette thèse consiste à étudier l'influence des différents paramètres sur la variation des propriétés pour ainsi appliquer une méthode de conception paramétrique robuste du nouveau renfort. À plus long terme le projet consiste à fabriquer des pièces composites de géométries et dimensions arbitraires en utilisant le renfort hybride UD lin/papier. Ce projet, lancé au laboratoire de mécanique et éco-matériaux (LMEM) en 2010, se compose de quatre phases : choix des constituants, conception de renforts, étude du comportement de composites plans, et finalement moulage et conception de pièces composites plus complexes. Toutes ces phases ne peuvent bien sûr être adressées dans un seul projet de thèse. Pour cette raison, dans cette thèse seule les phases de conception (paramétrique robuste) du renfort et d’analyse de son comportement sur des échantillons planaires sont adressées.

Les anodes de carbone sont utilisées dans le procédé d’électrolyse pour la production de l’aluminium primaire. Cette étape contribue à environ 15% du coût total de production de l’aluminium. Les anodes sont consommées régulièrement dans la cellule d’électrolyse et nécessitent en général un remplacement toutes les 2 à 4 semaines. L’étape la plus coûteuse de la fabrication des anodes est la cuisson où les propriétés des anodes sont fixées; donc, il s’agit d’une étape importante. Dans ces fours, les gaz qui circulent dans les cloisons fournissent la chaleur nécessaire pour la cuisson et le profil de vitesses influence énormément la distribution de chaleur. Une distribution uniforme favorise l’homogénéité de la cuisson. Cependant, la mesure de vitesses et du débit des gaz est difficile à cause de la complexité de l’écoulement créé par la géométrie particulière des cloisons. L’objectif de ce projet est de développer une technique pour déterminer le débit du gaz dans les cloisons d’un four horizontal de cuisson d’anodes. Une maquette d’une cloison a été conçue et construite pour tester les différentes méthodes de mesure et établir les critères sur lesquels la prise de mesure à l’usine est effectuée. Le comportement des gaz a été démontré en laboratoire par la visualisation de l’écoulement avec de la fumée et par la mesures des vitesses rencontrées dans deux configurations : une cloison issue de la littérature ayant deux rangées de briques et une autre industriel dont les détails (dimensions, géométrie) sont confidentiels. Des mesures de vitesses à l’entrée et sortie de la maquette cloison ont permis de déterminer les bilans de masse pour chaque cas de section du four de cuisson d’anodes simulé. Ces données ont aussi permis d’estimer les taux d’infiltration ou d’exfiltration selon la section étudiée. Suivant cette même démarche, une campagne de mesure a été effectuée à l’usine d’anodes. Des mesures ont été prises dans les différentes sections du four de cuisson d’anodes, surtout la section de refroidissement compte tenu des températures relativement basses qui permettent d’effectuer des mesures convenables. Ces données ont été donc recueillies (ΔP, emplacement des mesures, températures et vitesses d’écoulement des gaz chauds) permettant ainsi de faire une analogie avec les données déjà obtenus avec les travaux sur la maquette cloison pour cette configuration. Cette analogie a permis de comparer l’écoulement des gaz chauds au niveau de l’usine et de l’air au niveau de la maquette. Cette comparaison est essentielle pour déterminer les facteurs de correspondance entre l’usine et le laboratoire compte tenu de la différence substantielle des paramètres opératoires. En utilisant ces facteurs de correspondance, l’écoulement des gaz chauds a été calculé dans les sections du four de cuisson d’anodes où on a pu prendre des mesures. Ces résultats sont présentés dans ce mémoire. Carbon anodes are used in the electrolytic process for the production of primary aluminum. This step constitutes approximately 15% of the total cost of aluminum production. The anodes are regularly consumed in the electrolysis cell, and they are generally changed every 2 to 4 weeks. The most costly step of the anode manufacturing process is the baking process where the anode attains its final properties; thus, this is an important step. In these furnaces, the gas that circulates in the flues provides the heat necessary for the baking, and the velocity profile affects significantly the distribution of heat. A uniform distribution promotes homogeneous heating. However, the measurement of the velocities and the gas flow rate is difficult because of the complexity of the flow created by the particular geometry of the flues. The objective of this project is to develop a technique to measure the gas flow rate in the flues of a horizontal anode baking furnace. A physical model of a flue was designed and built to test different methods of measurement and to establish the criteria on which the measurements can be carried out in the plant. The gas behavior was characterized in the laboratory by flow visualization with fume. The velocity measurements were carried out in two different configurations: a flue from the literature with two rows of bricks and an industrial flue for which the details (dimensions, geometry) are confidential. The measurements at the entrance and exit of the model were used to determine the mass balance for each case section of the simulated anode baking furnace. These data were also used to estimate the rate of infiltration or exfiltration depending on the section studied. Following this same approach, a measurement campaign was carried out in an anode plant. Measurements were taken in different sections of the anode baking furnace, particularly the cooling section given the relatively low temperatures, which makes the measurement of velocities possible. These data were thus collected (ΔP, measurement location, temperatures, and flow rates of the hot gases), and an analogy was assumed with the physical model of the flue. This analogy was used to compare the flow of hot gas at the plant and the air in the model. This comparison is essential for determining the corresponding factors between the plant and the laboratory given the substantial difference in the operating parameters. These factors were used to calculate the flow in the industrial flues where the measurements were done. In this thesis, these results are presented.

Les lignes de transport de l’énergie électrique sont l’une des structures les plus vulnérables au givrage atmosphérique. Le givrage atmosphérique est un phénomène météorologique qui se manifeste par un dépôt des gouttes d’eau ou des flocons de neige, sur une surface froide exposée à l’air ambiant. Lorsque la glace accumulée sur la structure subit des contraintes environnementales ou structurales, sa masse se réduit, d’une façon souvent brutale, menant au phénomène de délestage. Ce phénomène affecte considérablement la stabilité des équipements et des structures et constitue un danger véritable sur la vie des individus. La compréhension du phénomène de délestage nécessite une étude approfondie de la physique de la glace atmosphérique, de ses caractéristiques thermodynamiques, rhéologiques et mécaniques. L’objet de la présente étude est de développer des outils pour prévoir le phénomène de délestage de la glace atmosphérique, le but primordial étant de développer des critères de rupture sous chargement uniaxial et triaxial. Le premier type de critère de rupture se base sur les observations expérimentales lors des essais de compression et de traction uniaxiale, ayant une nature purement phénoménologique, le critère de rupture uniaxial prend en considération l’effet du taux de déformation, de la température et de la porosité. Le deuxième type de critère de rupture, quant à lui, se base sur l’identification structurale des constantes matérielles incorporées dans des critères de rupture triaxiaux, en se basant sur les résultats des essais de compression triaxiale réalisés au sein de la CIGELE (Chaire industrielle sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques) sur la glace atmosphérique, sous différentes conditions expérimentales. L’influence de la température et du taux de déformation sur la résistance sous confinement est également mise en évidence. La glace atmosphérique est accumulée au sein de la soufflerie de la CIGELE. Le flux et la vitesse à l'intérieur du tunnel sont contrôlés via un ordinateur de contrôle, la vitesse de l'air est ajustée à 20 m/s afin d’avoir un MVD (mean volume droplet diameter) de 40μm et une teneur en eau liquide (LWC) de 2,5 g/m3. La glace atmosphérique est accumulée sur un cylindre rotatif en aluminium de 78 mm de diamètre et de 590 mm de longueur, les températures considérées sont -5, -10, -15 et -20°C. Afin de déceler l’effet de la porosité, la glace granulaire désaérée est préparée en utilisant une autre technique développée au sein de la CIGELE. La structure cristalline et le taux de la porosité sont évalués en utilisant la microtomographie à rayon X. L’étude de la microstructure de la glace atmosphérique indique une taille des grains qui dépend fortement de la température. Le diamètre moyen des grains est d'environ 0.137 mm pour les échantillons de glace accumulés à -20°C, de 1.249 mm à -15°C et de 4.511 mm à -5°C. La porosité est de 2.25% à -20°C, de 1.06% à -15°C et de 0.28% à -5°C. Les essais de compression uniaxiale montrent que la résistance à la compression de la glace croît avec l’augmentation du Taux de déformation, la croissance se poursuit jusqu’à la transition ductile-fragile. Au-delà de cette transition, la glace se fragilise et sa résistance décroit. La glace colonnaire S2 présente un comportement fortement anisotrope. Sa résistance à la compression est maximale dans le sens parallèle à l’axe des colonnes. La résistance à la compression augmente avec la diminution de la température pour la glace granulaire désaérée. En ce qui concerne la glace granulaire poreuse, un seuil de résistance maximale est observé, au-delà duquel une diminution de la résistance à la compression est observée. La glace atmosphérique poreuse présente un comportement ductile même à des taux de déformation relativement élevés, ceci étant dû à la présence des cavités et des pores. Un critère empirique sous chargement uniaxial est proposé. Le critère permet de présenter le comportement de la glace atmosphérique en compression et en traction uniaxiale, sous différentes conditions. La dépendance du critère de rupture proposé de la température est présentée par la fonction shift WLF (Williams-Landel-Ferry). Afin de prédire la rupture fragile de la glace atmosphérique, un modèle neuronal est proposé. L’apprentissage dynamique par les données expérimentales permet d’apprendre le réseau, d’autres données sont utilisées pour la validation. Le modèle proposé montre une bonne capacité de prédiction, avec un taux d’erreur très acceptable. Les essais de compression triaxiale montrent que la résistance de la glace atmosphérique croît en augmentant la contrainte de confinement. Même sous confinement, la transition ductile-fragile de la glace atmosphérique est toujours observée à un taux de déformation de 10-3s-1, pour une température de -5°C, tandis que cette transition n’est plus observée pour des températures plus froides de -10 et -15°C. La dépendance de la résistance triaxiale de la glace atmosphérique à la température et du taux de déformation est toujours observée. Les trois critères de rupture de Mohr-Coulomb, de Hoek-Brown et de Larme sont considérés pour la glace atmosphérique, afin de prévoir la rupture de celle-ci sous des contraintes triaxiales. Les résultats des tests triaxiaux ont été utilisés pour identifier les constantes matérielles incorporées dans ces critères de rupture. Un modèle éléments finis a été appliqué afin de valider le critère de rupture de Mohr-Coulomb. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance avec les résultats des mesures expérimentales.

L'objectif général de cette recherche était de développer des modèles capables de simuler les processus de fonte de la neige accumulée sur des conducteurs aériens et de prévoir leur délestage, dans diverses conditions météorologiques et types de transmission de courant. Dans le but de valider ce nouveau modèle, un certain nombre de tests expérimentaux ont été réalisés aux laboratoires de la CIGELE, à l'aide d'une chambre climatique et de la soufflerie réfrigérée, qui ont ensuite été comparés avec ceux simulés numériquement. Premièrement, des simulations en deux dimensions Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) ont été effectuées avec FLUENT pour prédire le coefficient de distribution du transfert de chaleur local, le long de la surface du manchon avec flux transversal d'air, ainsi que le taux global de transfert de chaleur. Ces investigations permettent de connaître les caractéristiques de la convection forcée autour d'un manchon de neige, et également les effets dus à la rugosité de la surface de la neige et à la forme non-circulaire du manchon. Elles montrent aussi l'effet significatif de la rugosité de surface sur le taux de transfert de la chaleur. Deuxièmement, un modèle microstructural a été développé pour estimer la conductivité thermique équivalente de la neige sèche, qui établit la relation entre la conductivité thermique équivalente et la microstructure de la neige sèche dans divers régimes de température. Ces résultats ont été comparés avec ceux de recherches antérieures, montrant un bon accord. De plus, une série d'expériences a été réalisée dans les laboratoires de la CIGELE et leurs résultats ont été comparés avec ceux du modèle. Finalement, une relation entre le modèle de conductivité de la neige et la température a été proposée. Troisièmement, un modèle numérique 2-D en fonction du temps, de la percolation de l'eau dans un manchon de neige fondante a été établi sur la base de la méthode de Galerkin. L'influence de la vitesse du vent, de la température de l'air, de l'effet Joule, de la rugosité de la surface de la neige et de la dimension des grains de neige a été étudiée. Les résultats du modèle montrent que l'effet Joule et la rugosité de la surface de neige ont des effets notables sur la percolation de l'eau. Le temps requis pour parvenir à un état de quasiéquilibre est réduit de 50% ou plus, si le courant électrique ou la rugosité de surface excèdent certaines valeurs critiques. On a trouvé que les résultats du modèle concordaient bien avec ceux obtenus expérimentalement aux laboratoires de la CIGELE. Quatrièmement, la question de la détermination du déclenchement du délestage de la neige a été étudiée. Un tel modèle analytique est basé sur un modèle de défaillance de la neige sèche et sur des essais expérimentaux réalisés aux laboratoires de la CIGELE. Ce modèle prend en compte l'effet de l'écoulement de l'eau dans le manchon de neige. Les résultats montrent que le temps requis pour parvenir au délestage de la neige diminue de façon non linéaire alors que la teneur en eau initiale, la vitesse de l'air et l'intensité du courant électrique augmentent. Ce modèle peut fournir une estimation rapide de la chaleur de Joule ou du vent nécessaire pour déclencher le délestage de la neige sur un câble.